自平衡试桩法和锚桩试桩法的对比分析

边建林 赵升峰

(1.铁道第三勘察设计院集团有限公司,天津 300142;2.南京地质工程勘察院,江苏南京 210009)

传统的静载荷试桩法费力、费时、费钱,美国西北大学教授Osterberg研究成功了一种新的静荷载试桩法,近年来已在美国各州广泛应用。东南大学土木工程学院以龚维明教授为主的研究团体结合中国工程实际,对此方法进行了优化,并总结出了“自平衡试桩法”。由于其加压装置较为简单,无需占用试验场地,试验操作又较为方便,费用较低,且能直接测定桩的侧阻与端阻,获得了工程界的好评。自平衡试桩法已成功应用于润扬长江大桥、杭州湾跨海大桥、苏通大桥、南京长江第三大桥等重大工程的钻孔灌注桩承载力测试中,是一种可靠、经济、适用性强的桩基承载力测试技术。

1 工程概况

某黄河铁路特大桥设计全长4 011.86 m,主桥下部为实体花瓶形墙式墩身,引桥桥墩为双柱式墩身,均采用钻孔灌注桩基础形式。全桥共设计混凝土钻孔灌注桩328根。在两处代表性区域,各施工了一根试桩,并分别采用锚桩法和自平衡试桩法进行静载荷测试。通过试桩为桩基础设计提供依据,并验证灌注桩施工工艺的可行性。试桩有关参数见表1。

表1 试桩参数

2 试桩方法及原理

2.1 锚桩法

图1 锚桩法加载示意(单位:cm)

S1试桩加载试验采用“二锚一”锚桩-混凝土反力梁法进行,见图1。每根锚桩设计直径为2.0 m,长度为60 m。用5×800 t油压千斤顶在桩顶对试桩分级施加荷载,通过预埋在桩身内的钢筋应力计测出每级荷载作用下相应截面的应力。在桩身同一截面对称布置4个钢筋计,按土层分布共设6个断面,如图2所示。

图2 S1试桩钢筋计布置示意(单位:m)

2.2 自平衡试桩法

S2桩采用自平衡测试法,是利用预埋在桩身的荷载箱进行钻孔桩静载试验的方法。试验时,在地面通过液压泵对荷载箱内腔施加压力,将箱盖与箱底推开,从而调动桩周土的摩阻力与端阻力,直至破坏。其测试原理见图3。荷载箱距桩端距离16.27 m,沿桩身设5层钢筋计,每截面对称布置4个,见图4。

图3 自平衡法测试原理

3 测试结果

3.1 锚桩法试验结果

该试桩采用慢速维持加载法最大加载值36000 kN,每级加载值为最大荷载的1/15。试验得到的Q-S曲线见图5。根据各级荷载作用下测得的桩端应力,可计算出桩端阻力占桩顶荷载的比例,见图6。

图4 S2试桩钢筋计布置示意(单位:cm)

图5 桩S1的Q-S曲线

图6 桩端阻力占桩顶荷载比例

3.2 自平衡法试验结果

自平衡法静载试验得到的荷载箱上部和荷载箱下部的荷载-位移关系曲线见图7。根据各级荷载作用下测得的桩端应力,可计算出桩端阻力占桩顶荷载的比例,见图8。

图7 自平衡法测试曲线

图8 桩端阻力占桩顶荷载比例

4 两种测试方法的比较及桩承载性能分析

4.1 摩阻力对比及分析

试桩S1、S2所处场地地层分布及力学性能基本相近,S1桩长32 m,S2上段桩长33.73 m,下段桩长16.27 m,取S2上段桩与S1桩的平均摩阻力进行对比。S1桩的加载方式为由桩顶竖直向下,桩侧摩阻力为正摩阻力,S2桩的加载方式为由下往上(见图3)。桩侧摩阻力表现为负摩阻力,S1桩摩阻力的发挥顺序为由上往下,S2桩摩阻力的发挥顺序为由下而上。受力机理的区别最终体现为平均摩阻力-位移曲线的区别,为便于比较,采用双曲线模型对二者进行拟合,见图9。当桩顶(荷载箱)位移小于约5 mm时,桩S2的平均摩阻力大于桩S1的平均摩阻力;当位移超过5 mm时,桩S1的平均摩阻力才超过桩S2的平均摩阻力。这主要是由土层分布的差异和受力机理的差别所造成的,同一土层中负摩阻力应小于正摩阻力,但桩S2最先发挥的是强度较高的下部土层的负摩阻力,而桩S1最先发挥的是强度较低的上部土层的正摩阻力,因而出现初期平均负摩阻力大于平均正摩阻力的现象。随着位移增大,整个桩段的摩阻力逐渐发挥出来,平均正摩阻力自然大于平均负摩阻力。取趋于稳定的位移12 mm进行比较,在中密卵石层中平均负摩阻力约为平均正摩阻力的0.84倍。

图9 平均摩阻力对比

4.2 桩承载性能分析

在桩承载力自平衡测试中,测定了荷载箱的荷载、垂直方向向上和向下的变位量以及桩体在不同深度的应变值。通过桩的应变和混凝土的应力-应变关系,可以计算出桩身轴力分布,进而求出不同深度的桩侧摩阻力。利用荷载传递解析方法,将桩侧摩阻力与变位量的关系、荷载箱荷载与向下变位量的关系,换算成桩顶荷载—沉降关系曲线,经转换的桩S2的Q-S曲线及其与桩S1的对比见图10。为便于比较,采用双曲线模型对桩S1的Q-S曲线进行拟合(见图10),桩S1、S2的Q-S曲线均呈缓变形,在起前半段两条曲线非常接近,且S1在S2之上。但随着荷载增加,S1的下降速率明显快于S2,在S=12 mm时,S1落在S2之下,且随着荷载增大,差距越来越大。若取S=30 mm进行对比,S2的承载力为59 500 kN,S1的承载力为48000 kN。S2比S1长18 m,桩顶沉降为30 mm时,S1的桩侧摩阻力基本发挥出来,端阻力也得到发挥,端阻力占总荷载的比例达到22.46%(见图7),呈摩擦端承桩特性。而S2的桩侧摩阻力还未充分发挥,端阻力占总荷载的比例只有3.59%(见图9),桩顶沉降基本由桩身压缩引起,呈摩擦桩特性。

图10 Q-S曲线对比

5 结论

(1)桩S1,S2的Q-S曲线均呈缓变形。由于桩长不同,2根桩的荷载-沉降变化规律有所区别。在起前半段,两条曲线非常接近;在后半段,随着荷载增大,S1桩的下降速率明显大于S2桩。若取S=30 mm进行对比,S2的承载力为59500 kN,S1的承载力为48 000 k N。

(2)桩 S2比S1长18 m,当桩顶沉降为30 mm时,S1的桩侧摩阻力基本发挥出来,端阻力占总荷载的比例达22.46%,为摩擦端承桩;桩S2的桩侧摩阻力还未充分发挥,端阻力占总荷载的比例只有3.59%,桩顶沉降基本由桩身压缩引起为摩擦桩。

(3)锚桩法(S1桩)的加载方式为由桩顶竖直向下,桩侧摩阻力为正摩阻力,自平衡法(S2桩)上段桩的加载方式为由下往上,桩侧摩阻力表现为负摩阻力;S1桩摩阻力的发挥顺序为由上往下,S2桩摩阻力的发挥顺序为由下而上。二者变化规律基本相似,取趋于稳定的同一位移S=12 mm进行比较,在中密卵石层中平均负摩阻力约为平均正摩阻力的0.84倍。

(4)在卵石层中摩阻力表现出明显的应力软化特性。

[1]龚维明,戴国亮.蒋永生,等.桩自平衡测试理论与实践[J].建筑结构学报,2002,23(1):82-88

[2]黄生根,张晓炜,龚维明.后压浆钻孔灌注桩的荷载传递机理研究[J].岩土力学,2004,25(2):251-254

[3]桩基工程手册编委会.桩基工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1995

[4]谭洪亮,赵鹏宇.大直径桩桩顶加载自锚式测桩法[J].2008(2)

[5]张铁富,王靖涛.钻孔灌注桩承载力自平衡测试法[J].土工基础,2008,22

[6]吴 鹏,龚维明,薛国亚,等.桩基承载力测试O-Cell法与自平衡法对比研究[J].建筑科学,2005,21

[7]龚维明.桩自平衡测试法工程应用[J].岩土工程界,1999(1)

[8]黄生根,梅世龙,龚维明.南盘江特大桥岩溶桩基试验研究[J].岩石力学与工程学报,2004,23(5):809-813

[9]JGJ94—2008 建筑桩基技术规范[S]

[10]《基坑工程手册》编委会.基坑工程手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1997